樹莓派提高實時性的新思路
by yafeng 轉載請注明
樹莓派是一台應用linux系統的ARM電腦，由於linux是非實時性系統，所以各個任務之間會不停的切換，時間片20ms-100ms不等，所以很難獲得實時的輸出，這里先貼個小例子，內容很簡單，把一個IO點置為高電平，等待1000us（1ms）然后置為低電平，並記錄需要的時間，記錄10000次（2ms*10000=20秒）。
#include "stdio.h" #include "wiringPi.h" #define rec_num 10000 int main(){ int time_arry[rec_num]; int current_time=0; wiringPiSetup(); pinMode(0,OUTPUT); for(int i=0;i<rec_num;i++){ current_time=micros(); digitalWrite(0,HIGH); delayMicroseconds(1000); digitalWrite(0,LOW); delayMicroseconds(1000); time_arry[i]=micros()-current_time; } for(int j=0;j<rec_num;j++){ printf("%d ",time_arry[j]); } }
代碼很簡單，最后打印10000次時間結果，單位為微秒,部分結果如下：
$ gcc set_io_pluse_nort.c -lwiringPi $ sudo ./a.out 2189 2127 2127 2128 2127 2126 2125 2125 2128 2126 2125 2126 2126 2128 2126 2126 2125 2133 2134 2133 2132 2132 2134 2132 2132 2133 2132 2134 2133 2132 2132 2133 2132 2133 2132 2132 2135 2132 2132 2132 2132 2133 2131 2132 2133 2137 2133 2132 2132 2131 2133 2132 2132 2132 2132 2133 2132 2132 2132 2137 2126 2126 2125 2126 2132 2133 2132 2132 2132 2133 2134 2133 2132 2132 2133 2132 2132 2132 2133 2132 2132 2132 2132 2133 2132 2132 2131 2132 2135 2126 2126 2125 2130 2132 2131 2131 2131 2133 2131 2131 2131 2132 2138 2131 2132 2131 2132 2132 2131 2131 2131 2132 2131 2133 2132 2131 2128 2126 2125 2125 2129 2128 2127 2126 2131 2129 2126 2125 2125 2126 2129 2126 2126 2126 2125 2128 2126 2126 2126 2128 2127 2126 2126 2125 2134 2155 2140 2139 2138 2138 2138 2138 2137 2137 2139 2137 2136 2136 21
由於數據太多，不容易看出結果，所以我用Python寫了個統計結果的程序，分析均值以及偏差。代碼很簡單，我就不貼出來了，只貼結果：
平均時間: 2132 <10us: 9621 >10us: 282 >20us: 49 >30us: 19 >40us: 7 >50us: 4 >60us: 2 >70us: 2 >80us: 2 >90us: 2 >100us: 2 >110us: 2 >120us: [2488, 2346]
可以看出，現在結果還是不錯的，只有2個結果誤差超過均值60us，但是平均時間是2.132ms，跟預計時間有132us的誤差。
下邊是該程序在CPU滿載的情況下的測試結果（我寫了個多進程程序，把所有CPU撐到100%）：
平均時間: 2128 <10us: 73 >10us: 9902 >20us: 175 >30us: 153 >40us: 71 >50us: 24 >60us: 15 >70us: 15 >80us: 15 >90us: 15 >100us: 15 >110us: 15 >120us: [12448, 5813, 9480, 13708, 7936, 11588, 14554, 10433, 13771, 14565, 12347, 5887, 9486, 13725, 2955]
這時，出現了非常差的情況，15次誤差大於120us，並且有多次10-15ms誤差的！
然后是下載過程中的測試：
平均時間: 2139 <10us: 6970 >10us: 2827 >20us: 592 >30us: 381 >40us: 338 >50us: 306 >60us: 280 >70us: 261 >80us: 243 >90us: 224 >100us: 213 >110us: 197 >120us: [2313, 2351, 2338, 2438, 2378, 2442, 2262, 2328, 2260, 2304, 2329, 2394, 2423, 2268, 2260, 2281, 2433, 2345, 2280, 2286, 2315, 2321, 2300, 2349, 2496, 2322, 2269, 2311, 2271, 2377, 2292, 2428, 2339, 2382, 2284, 2261, 2422, 2295, 2271, 2319, 2309, 2282, 2263, 2313, 2423, 2307, 2344, 2297, 2269, 2287, 2286, 2359, 2453, 2276, 2316, 2377, 2360, 2278, 2405, 2917, 2342, 2302, 2291, 2314, 2351, 2304, 2300, 2324, 2262, 2345, 2329, 2440, 2452, 2379, 2287, 2282, 2303, 2341, 2324, 2260, 2299, 2319, 2312, 2281, 2326, 2544, 2386, 2316, 2347, 2330, 2350, 2284, 2378, 2556, 2357, 2361, 2399, 2306, 2265, 2299, 2281, 2307, 2273, 2298, 2286, 2576, 2278, 2320, 2331, 2275, 2324, 2308, 2351, 2387, 2278, 2268, 2390, 2290, 2436, 2420, 2295, 2375, 2364, 2566, 2452, 2312, 2312, 2377, 2261, 2411, 2453, 2393, 2282, 2284, 2308, 2273, 2302, 2284, 2349, 2336, 2292, 2280, 2310, 2264, 2275, 2276, 2295, 2373, 2284, 2264, 2276, 2403, 2314, 2302, 2300, 2313, 2284, 2304, 2295, 2309, 2290, 2261, 3104, 2302, 2334, 2279, 2320, 2318, 2345, 2323, 2381, 2382, 2329, 2402, 2306, 2347, 2340, 2293, 2433, 2384, 2463, 2861, 2347, 2400, 2324]
這時沒有太大的偏差，不過超過120us的情況非常多。
先測試到這里，下邊我們改進程序：
首先，提高進程的優先級，這個wiringpi庫給我們帶了個函數：piHiPri(int);99為最高優先級，先把這個加上：
直接貼三次測試結果：
1空載：
平均時間: 2024 <10us: 9982 >10us: 17 >20us: 13 >30us: 3 >40us: 2 >50us: 0 >60us: 0 >70us: 0 >80us: 0 >90us: 0 >100us: 0 >110us: 0 >120us: []
空載這樣已經很好了，全部在50us以內，並且平均值也有了巨大的提升，跟預期的2000us只差24us
2 CPU滿載：
平均時間: 2012 <10us: 9984 >10us: 14 >20us: 8 >30us: 5 >40us: 4 >50us: 2 >60us: 2 >70us: 2 >80us: 2 >90us: 2 >100us: 2 >110us: 2 >120us: [2210, 2588]
3：網絡下載：
平均時間: 2038 <10us: 2726 >10us: 6688 >20us: 156 >30us: 89 >40us: 62 >50us: 55 >60us: 44 >70us: 42 >80us: 33 >90us: 27 >100us: 25 >110us: 24 >120us: [7535, 11448, 7044, 11261, 11124, 6785, 11393, 11141, 7061, 6665, 11633, 11758, 11942, 4090, 2322, 2306, 2286, 2370, 2166, 2334, 2311, 2276, 2339, 2204]
可以看到，提高了進程優先級后，改善還是比較大的，平均時間都跟預期時間相差幾十us，雖然網絡下載時（高IO）時仍然有些誤差很大的，但考慮到測試已經是比較極端的狀況了，應該還是有很大提升的。這種方法優勢就是簡單。只加1句代碼，就能提升實時性。
那么，還有什么更好的辦法提高嗎？當然有!下邊，給出終極奧義：
就是在調度器禁用一個核心，也就是本來4核的CPU，我linux調度時只用3個核心，留出一個核心專門跑實時程序，然后把實時任務安排到這個空閑核心上。
具體做法是在啟動時。給內核加參數：isolcpus=x,x為屏蔽的核心，我改成了3，即最后一個CPU。
然后看看htop，可以看到雖然有8個進程跑滿CPU，但第四核心始終是0占用：
然后把任務安排到第4個CPU上，代碼很簡單：
cpu_set_t mask;
CPU_ZERO(&mask);
CPU_SET(3,&mask);
if (sched_setaffinity(0,sizeof(mask),&mask)==-1)
printf("affi set fail!");
把任務SET到3上，然后同樣做3組測試：
1:空載：
平均時間: 2022 <10us: 9821 >10us: 174 >20us: 1 >30us: 0 >40us: 0 >50us: 0 >60us: 0 >70us: 0 >80us: 0 >90us: 0 >100us: 0 >110us: 0 >120us: []
2：滿載，居然比空載都好，也是醉了：
平均時間: 2011 <10us: 9998 >10us: 2 >20us: 1 >30us: 1 >40us: 0 >50us: 0 >60us: 0 >70us: 0 >80us: 0 >90us: 0 >100us: 0 >110us: 0 >120us: []
3：下載測試
平均時間: 2022 <10us: 9899 >10us: 97 >20us: 1 >30us: 0 >40us: 0 >50us: 0 >60us: 0 >70us: 0 >80us: 0 >90us: 0 >100us: 0 >110us: 0 >120us: []
居然也比空載好，幻覺，一定是幻覺……2333
總之，基本達到了10微秒級的水平。改善還是非常可觀的。
下邊給出所有代碼：cmdline.txt(改動在最后)
root=/dev/mmcblk0p2 rw rootwait console=ttyAMA0,115200 console=tty1 selinux=0 plymouth.enable=0 smsc95xx.turbo_mode=N dwc_otg.lpm_enable=0 kgdboc=ttyAMA0,115200 elevator=noop rootflags=subvol=rootfs isolcpus=3 noirqbalance
C代碼：
1 #define _GNU_SOURCE 2 #include "stdio.h" 3 #include "wiringPi.h" 5 #include "sched.h" 7 #define rec_num 10000 8 9 void get_hight_Pri(){ 10 cpu_set_t mask; 11 CPU_ZERO(&mask); 12 CPU_SET(3,&mask); 13 if (sched_setaffinity(0,sizeof(mask),&mask)==-1) 14 printf("affinity set fail!"); 15 piHiPri(99); 16 17 } 18 19 int main(){ 20 int time_arry[rec_num]; 21 int current_time=0; 22 get_hight_Pri();24 wiringPiSetup(); 25 pinMode(0,OUTPUT); 26 for(int i=0;i<rec_num;i++){ 27 current_time=micros(); 28 digitalWrite(0,HIGH); 29 delayMicroseconds(1000); 30 digitalWrite(0,LOW); 31 delayMicroseconds(1000); 32 time_arry[i]=micros()-current_time; 33 } 34 for(int j=0;j<rec_num;j++){ 35 printf("%d ",time_arry[j]); 36 } 37 38 }